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1、第四章 结构设计方法,Chapter 4 Design Approach第四章 结构设计方法,第四章 结构设计方法,Questions1 What working states should be considered for practical structures?2 How to ensure the safety and serviceability of your design?3 What factors must be considered to ensure the safety and serviceability?,第四章 结构设计方法,Design of engineer
2、ing structures should ensure that the structures are Safe、Probability and Economical.A great deal of uncertainties exist in the practical engineering structures.The objective of design methods for structures is to study different uncertainty and to find a balance point between safety and economy.,第四
3、章 结构设计方法,工程结构的设计需要保证安全可靠(safety and probability)、经济合理 由于实际工程结构中存在多种不确定性 结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡,第四章 结构设计方法,Allowable Stress Design Method,Safety Coefficient K is bigger than 1.0.With the increasing of K，the safety degree of structure will increase and the amount of materials used w
4、ill increase,too.To find a balance point between safety and economy,It should select an appropriate K through the consideration of different uncertainties.,第四章 结构设计方法,容许应力设计方法 allowable stress,安全系数(Safety Coefficient)K 是一个大于1.0的数值 K 越大，结构安全度就越高，同时结构材料用量也越多 为取得安全可靠与经济合理的均衡(balance)，在综合考虑各种不确定性因素影响后，可
5、选取一个合适的安全系数。,第四章 结构设计方法,What is studied in material mechanics is，linear elastic homogenous material and simple structure.Practical engineering structure is much complex than it.Considering the structure safety,the ultimate flexural capacity should be determined for the flexure of RC beam.It is neede
6、d to determine the flexural behavior of this state for controlling the cracks and the deformation during the service time.Allowable stress design method is not applicable.,第四章 结构设计方法,材料力学研究的是：单一材料、线弹性、简单结构 实际工程结构远比它复杂 如钢筋混凝土梁的受弯，从安全角度考虑，需要确定其极限受弯承载力；而为控制正常使用阶段的裂缝和挠度变形，需要确定带裂缝工作阶段的受力情况。采用容许应力设计方法，无法统
7、一这两方面的要求,第四章 结构设计方法,So according to the structure function,firstly it should have a scientific definition of the safety.In addition，it is needed to study the effects of different external influence on the structure.External influence：Loads,Temperature change,Settlement,Shrinkage,Creep,Earthquake,Cor
8、rosion,Freeze-Thaw.Also the variation of the structural sizes and material strength.And then the Structural Reliability can be defined reasonably.,第四章 结构设计方法,因此，首先根据工程结构需要满足实际使用的各种要求(结构的功能)对安全可靠有更具体的科学定义 另一方面，需要尽可能详细了解结构在不同情况下（施工、使用、破坏）可能受到的各种外界影响的大小和变化情况 外界影响：各种荷载(Load)、温度变化、沉降(Settlement)、收缩徐变(Shr
9、inkage,Creep)、地震(Earthquake)、侵蚀(Corrosion)、冻融(Freeze-Thaw)等 以及结构尺寸、材料强度等的变异(Variation)情况，以便科学全面合理的确定结构可靠性(Reliability)。,第四章 结构设计方法,4.1 结构的功能,4.1 Functions of Structure,Safety For MMu，VVu，NNu During the predetermined Design Life(50 year),the structure should support the actions of all sorts of loads
10、and deformations.The structure should keep the stability and not collapse during or after the accident even happens.,第四章 结构设计方法,4.1 结构的功能,4.1 结构的功能 Functions of Structure,安全性 Safety 如（MMu）结构在预定的使用期间内（Design Life 一般为50年），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。在偶然事件（如地
11、震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。,第四章 结构设计方法,4.1 结构的功能,Serviceability For f f During the service time,the structure should work condition-well.Durability For wmax wmax Under the normal service condition,the structure should have enough durability.,第四章 结构设计方法,4.1 结构的功能,适用性 Serviceabil
12、ity 如（f f）结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。耐久性 Durability 如（wmax wmax）结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。,第四章 结构设计方法,4.1 结构的功能,Reliability ReliabilityA sum of safety,serviceability and durabili
13、ty.Reliability is the ability of accomplishing the predetermined structural functions under the specified condition in the design life.The building cost will increase with the increase of the reliability.,第四章 结构设计方法,4.1 结构的功能,Structure Reliability 结构的可靠性 可靠性安全性、适用性和耐久性的总称 就是指结构在规定的使用期限内（Design Life=
14、50年），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的能力。结构可靠性越高，建设造价投资越大。如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题。,第四章 结构设计方法,4.1 结构的功能,It is restricted by many factors,such as economic power of one country,design life,maintenance and repair.The design method of the specification is the minimum requirements.Designer may i
15、mprove the design level and the reliability of the structure according to different conditions.,第四章 结构设计方法,4.1 结构的功能,显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家经济实力、设计工作寿命(Design Life)、维护和修复等。规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家法律。设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用，乃至可能对社会和经济所造成的影响
16、,第四章 结构设计方法,4.2 极限状态,4.2 Limit State,A limit state is that loading condition which,if exceeded,will render the structure unserviceable.,第四章 结构设计方法,4.2 极限状态,结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”,4.2 极限状态 Limit State,第三章 结构设计方法,3.2 极限状态,3.2 极限状态 Limit State(P
17、.35),结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”,A limit state is that loading condition which,if exceeded,will render the structure unserviceable.,第四章 结构设计方法,Ultimate Limit StateIf exceeded this state,the structure will unsafe.An ultimate limit state occurs at t
18、he collapse,or partial collapse,of a structure.Maximum load capacity occurs in the structure or members.Structure or part of it is overbalance.The plastic deformation is too big to service normally.The structure becomes an automotive system.Structure or part of it is unstable.,4.2 极限状态,第四章 结构设计方法,承载
19、能力极限状态 Ultimate Limit State超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求An ultimate limit state occurs at the collapse,or partial collapse,of a structure.结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）结构塑性变形过大而不适于继续使用 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）,4.2 极限状态,第四章 结构设计方法,4.2 极限状态,Serviceability Limit State
20、 An serviceability limit state is produced by excessive the deflection,cracking,or vibration.Excessive deformation or lateral displacement;Excessive cracks;Excessive vibration;Others,第四章 结构设计方法,4.2 极限状态,正常使用极限状态 Serviceability Limit State 超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。An serviceability limit state
21、is produced by excessive the deflection,cracking,or vibration.过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的振动（不舒适）；其他正常使用要求。,第四章 结构设计方法,4.2 极限状态,An ultimate limit state is necessary to determine the maximum load carrying capacity of a structure.An serviceability limit state is necessar
22、y to ensure satisfactory behavior under working load condition.,第四章 结构设计方法,4.2 极限状态,Expression of structural function,S R Reliable,SAction Effect Effects of the action applied to the structures like bending moment M,axial force N,shear force V,moment of torsion T,deflection f,crack width w.,S=S(Q),R
23、Resistance The ability to resist the effects of the structure like Mu,Vu,f,w.,R=R(fc,fy,A,h0,As,),S=R limit state,S R Unreliable,Refers to Structural Mechanics,Primary content of this course,第四章 结构设计方法,4.2 极限状态,结构功能的表达,S R 可靠,S作用效应 Action Effect 结构上的作用（使结构产生内力和变形的原因，如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）引起的效应如弯矩M
24、、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度 f、裂缝宽度 w 等,S=S(Q),R结构抗力 Resistance 结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力Mu、受剪承载力Vu、容许挠度f、容许裂缝宽度w,R=R(fc,fy,A,h0,As,),S=R 极限状态,S R 失效,结构力学的主要内容,本课程的主要内容,第四章 结构设计方法,4.3 结构中的不确定性,4.3 Uncertainties and unexpected deviations factor in Design,Dead Load g is related to the member sizes and the material densit
25、y.Live Load q changes from time to time.The inaccuracy of the span l.,Variability of material strength fy and fcConstruction error of sectional sizes h0 and b.Stress-strain relationship coefficient k1 and k2,No always means safety,第四章 结构设计方法,4.3 结构中的不确定性,4.3 结构设计中的不确定性 Uncertainties and unexpected d
26、eviations factor in Design,恒载(Dead Load)g与构件尺寸、材料容重等有关 活载(Live Load)q（楼面活载、雪荷载）的数值是随时在变化的 计算跨度 l 的不准确,材料强度 fy 和 fc 的离散截面尺寸h0和 b 的施工误差应力-应变关系参数 k1 和 k2,不一定安全（可靠）,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,4.4 Design Methods,A great deal of uncertainties exist in the practical engineering structures.The objective of desig
27、n methods of structures is to study different uncertainty and to find a balance point between safety and economy.,Allowable Stress Design,The working stress design method is adequate when material stresses are low.The method models the behavior of a member under service loads satisfactorily but prov
28、ides an unsatisfactory indication of conditions as loading increases and failure approaches.,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,4.4 结构设计方法,由于结构工程中的不确定性，为取得安全可靠与经济合理的均衡，在设计中需要考虑这些不确定性的影响。结构设计方法就是处理这种安全可靠与经济合理的矛盾。,容许应力设计法(Allowable Stress Design),第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,The structural behavior of RC members is not e
29、lastic；Once a point of the structure reaches the allowable stress,it is considered to be fail；No take into account the multiplicity of the structural function；Safety coefficient is defined from experience.,4.4 Design Methods,A great deal of uncertainties exist in the practical engineering structures
30、.The objective of design methods of structures is to study different uncertainty and to find a balance point between safety and economy.,Allowable Stress Design,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,4.4 结构设计方法,由于结构工程中的不确定性，为取得安全可靠与经济合理的均衡，在设计中需要考虑这些不确定性的影响。结构设计方法就是处理这种安全可靠与经济合理的矛盾。,容许应力设计法,钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的；结构中一点达到
31、容许应力，结构即认为失效；没有考虑结构功能的多样性要求；安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,Design for damage stage,It is considered to be fail only when the whole section reaches the ultimate load capacity.And it takes into account the plastic behavior of the materials makes the most of the strength.The ultimate load ca
32、n be testified by the experiment and the whole safety of the member is definite.Safety coefficient is also defined from experience.No take into account the multiplicity of the structural function.,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,破损阶段设计法,整个截面达到极限承载力才认为失效，考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接由试验验证，构件的总安全度较为明确。但安全系数K仍然凭经验确定，
33、没有考虑结构功能的多样性要求的问题。,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,Limit State Design,It is required the design of not only limit state of bearing capacity,but limit state of serviceability.For the former one,it selects different safety coefficients for different situations.,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,极限状态设计法(Limit State Design),
34、除要求对承载力极限状态进行设计外，还包括的挠度和裂缝宽度（适用性）的极限状态的设计。对于承载力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单一的安全系数，而采用的多系数表达，,材料强度 fck 和 fsk 是根据统计后按一定保证率取其下限分位值，反映的材料强度的变异性。荷载值 qik 也尽可能根据各种荷载的统计资料，按一定保证率取其上限分位值。荷载系数 kqi，材料强度系数 kc 和 ks 仍按经验确定，但对于不同荷载的变异大小，可取不同的荷载系数。,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,Limit State Design Based on the Probability Theor
35、y,Because of the uncertainties in the practical structures,all the structures have the possibility of unreliable.The probability theory is reasonable to express the reliability.,Failure probability decreases when the structures reliability increases.The measuring of structural reliability in probabi
36、lity is Reliability Degree.When the failure probability Pf is less than some value,it is then considered the structure is reliable.And this value is called Allowable Failure Probability Pf.,Failure Probability,Pf=P(S R),第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,以概率理论为基础的极限状态设计法,由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可能性
37、大小不同而已。为了科学定量的表示结构可靠性的大小，采用概率方法是比较合理的。,失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失效概率来定量表示结构可靠性的大小。结构可靠性的概率度量-结构可靠度Reliability Degree.当失效概率Pf小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为容许失效概率 Allowable Failure ProbabilityPf。,失效概率Failure Probability,Pf=P(S R),第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,Structural function expression Z=R
38、-S,Pf=P(S R)=P(Z 0),b Reliability Index,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,结构功能函数 Z=R-S,Pf=P(S R)=P(Z 0),b 可靠指标 Reliability Index,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,According to the statistics,the death rate per year of electroshock is 610-6 When b=3.7，Pf=1.110-4，design life is 50 years，then the failure probability per year
39、is1.110-4/50=2.210-6 Structure will not failure instantly after 50 years and its failure probability will increase.,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,根据统计，触电的年死亡率为610-6 b=3.7时，Pf=1.110-4，按设计基准期50年考虑，年失效概率为1.110-4/50=2.210-6 50年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。同时，结构失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌也不一定造成人员伤亡。我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取b=3.2，对脆性
40、破坏取b=3.7。对于重要的工程结构，应提高可靠指标。,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,永久荷载G：自重、土压力、预应力等；可变荷载Q：使用活荷载、风荷载、雪荷载；偶然荷载（作用）：爆炸力、撞击力。桥梁：P.312,作用：使结构产生内力和变形的原因，分为直接作用和间接作用两种。荷载是直接作用，混凝土的收缩、徐变、温度变化、地基不均匀沉降、地震是间接作用。,作用效应(S)：结构上的作用使结构产生的内力（弯矩、剪力、扭矩）和变形、裂缝的统称。作用（荷载）效应=作用（荷载）效应系数（C)*荷载值 P.43承担均布荷载q的简支梁，其跨中弯矩 M=1/8*ql2，则荷载效应系数C=l 2/8
41、。,基本术语,（P.57）,第三章 结构设计方法,正态分布的几个基本概念（补充）,正态分布曲线各段的概率分布,平均值:,标准差(或均方差):,3.2.3 极限状态设计法,变异系数：,3.2.3 结构设计方法,第三章 结构设计方法,强度标准值和荷载标准值的确定方法,材料强度标准值：根据统计分析可以确定一个具有一定保证率（95%）的下限强度分位值，该特征值称为材料强度标准值（符号fc，fs）。材料强度标准值=-1.645 P.58,材料强度标准值=-1.645 P.58,荷载标准值=+1.645 P.57,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,基本术语,分项系数:考虑目标可靠指标的等价作用。
42、P.59荷载设计值=荷载标准值*荷载分项系数(恒载分项系数一般取G=1.2，活载分项系数一般取Q=1.4）；P.60材料强度设计值=材料强度标准值/材料分项系数（钢筋s,混凝土c,，不需记 可直接查表）P.60荷载组合值：按极限状态设计时，为保证结构的可靠性而对同时出现的各种荷载进行组合，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率，能与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致的荷载值。荷载组合值=荷载组合系数（c)*荷载标准值荷载组合系数（c）可由建筑结构荷载规范查出。,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,Standard Value Sk of Action Effects,The unc
43、ertainties of the effects S is determined by the uncertainties of the action Q.,Dead Load GLive Load Q Accidental Load,Dead Load G Permanent action consist of dead load,creep,shrinkage and differential settlement.Live Load Q Variable or transient action consist of supperimposed live load,wind load,s
44、eismic load and temperature.Accidental Load Accidental action consist of fire,explosion,severe earthquake.,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,作用效应标准值Sk,作用效应S的不确定性就主要取决于结构上作用Q的不确定性,永久荷载G可变荷载Q 偶然荷载（作用）,永久荷载G Permanent action consist of dead load,creep,shrinkage and differential settlement.可变荷载Q Variable or transie
45、nt action consist of supperimposed live load,wind load,seismic load and temperature.偶然荷载（作用）Accidental action consist of fire,explosion,severe earthquake.,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,Standard Value Sk of Action Effects,The uncertainties of the effects S is determined by the uncertainties of the action Q.,
46、Dead Load GLive Load Q Accidental Load,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,作用效应标准值Sk,作用效应S的不确定性就主要取决于结构上作用Q的不确定性,永久荷载G可变荷载Q 偶然荷载（作用）,不同的荷载，其变异情况不同。根据统计分析可以确定一个具有一定保证率（如95%）的上限荷载分位值，该特征值称为荷载标准值（符号Gk，Qik）。按荷载标准值确定的荷载效应，称为荷载效应标准值Sk 有多个可变荷载同时作用的情况，考虑到它们同时达到标准值的可能性较小，考虑荷载组合系数y，,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,Standard Value Rk
47、of Structure Reactance,fck、fsk are standard strength value of rebar and concrete,respectively.The value of b、h0 and As is design value.,第四章 结构设计方法,4.4 结构设计方法,结构抗力标准值Rk,fck、fsk分别为混凝土和钢筋的强度标准值，截面尺寸b、h0和配筋As取设计值。,第四章 结构设计方法,4.5 结构设计方法,Design Expression,第四章 结构设计方法,4.5 结构设计方法,Design Expression,第四章 结构设计方法
48、,4.5 结构设计方法,Design Expression,第三章 结构设计方法,3.5 结构设计方法,S*,R*,以概率理论为基础的极限状态设计法,R-S,S,R,R,P.59 图4-5,4.5 结构设计方法,第四章 结构设计方法,4.5 结构设计方法,第四章 结构设计方法,作用效应设计值，gS作用效应分项系数,结构抗力设计值，gR结构抗力分项系数,Load factor,Strength reduction factor,第四章 结构设计方法,小结,Load factor compensate the following factors:The unfavorable deviation
49、of the loading from the nominal valueUncertainties in the methods of analysisUnexpected deviations in structural behaviorThe reduced probability of the full nominal loads,in a combination of loads,being present simultaneously,第四章 结构设计方法,小结,Strength reduction factor compensate the following factors:T
50、he possibility of adverse variations in material strengthDimensional inaccuraciesInadquate workmanshipThe strength of the material in the structure being less than that of the control specimens The degree of importance of the member to the integrity of the structure,第四章 结构设计方法,4.5 结构设计方法,Expression
